近日，中國科學院上海光學精密機械研究所聯合華東師范大學、華南理工大學、之江實驗室等單位，基于高品質因子的薄膜鈮酸鋰微盤腔，實現了高效的橫向非線性光學頻率轉換。
高階非線性光學過程是推動深紫外相干光源、量子通信和超快光學等領域發展的關鍵物理基礎。然而，這類過程即使借助高品質因子的光學微腔來增強光與物質相互作用，仍面臨高階非線性極化率隨階數指數衰減以及嚴格的寬帶相位匹配要求這兩個挑戰。
該研究通過設計薄膜鈮酸鋰微盤腔的色散，并采用飛秒激光光刻輔助化學機械拋光技術，制備出高品質因子的微盤腔。在1546 nm波段連續激光泵浦下，該鈮酸鋰微腔在1713 nm和1922 nm波長處分別產生雙向受激拉曼散射（SRS）和級聯SRS信號。其中，雙向SRS信號在微腔內誘導生成自組織的光折變光柵，提供了額外的光學動量，補償后續非線性過程所需的相位失配。同時，受背向瑞利散射影響，部分前向傳輸的泵浦光被轉化為背向模式。隨著泵浦光波長從1545.6 nm連續調諧到1546.1 nm，雙向傳輸的泵浦光將與同樣雙向傳輸的級聯SRS信號逐步發生和頻、四波到六波混頻的非線性頻率轉換過程。受相位匹配條件約束，這些雙向傳輸的非線性信號主要以近乎垂直于微腔平面的角度向腔外發射，以微小角度差出射的非線性輻射信號經干涉在CCD上形成了周期排布性的條紋，具有較高的轉換效率。其中，和頻轉換效率達590%/W。
上述成果有望應用于片上量子光源產生、光信息顯示、高靈敏傳感、集成光信息處理等場景，將推動片上紫外光源和多通道量子通信等領域的發展。
相關研究成果作為編輯推薦文章，發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
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橫向多波混頻過程
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